[发明专利]硬碳负极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种硬碳负极材料的制备方法及其应用，将淀粉与纳米二氧化硅混合，所得混合物料在惰性气氛下150‑240℃进行热处理，所得一烧产物在含氧气氛下180‑220℃进行热处理，所得二烧产物进行旋风分离除去纳米二氧化硅，得到预氧化淀粉基微球，预氧化淀粉基微球在惰性气氛下进行碳化处理，即得硬碳负极材料。本发明二氧化硅颗粒能够吸附在淀粉原料表面，在热处理过程中淀粉分子链之间产生交联，在二氧化硅的阻隔下，淀粉颗粒间不会进行交联而融并，形成球形结构，预氧化过程中引入氧原子在碳化后产生的氧空位增加了钠离子存储的活性位点，从而提高钠离子电池的可逆容量。

技术领域

本发明属于电池负极材料技术领域，具体涉及一种硬碳负极材料的制备方法及其应用。

背景技术

随着移动式电子设备、电网储能和电动汽车的快速发展，锂离子电池占据了新能源市场的核心地位。虽然锂离子电池(LiBs)目前最兼容实际的应用要求，但是考虑到锂资源的匮乏和限制，新生的钠离子电池(SiBs)逐渐成为了替代锂离子电池的解决方案。钠和锂具有相似的物理化学性质，且钠在自然界的丰度高，价格低廉。综上所述，钠是目前在储能系统的可充电电池中取代锂的最理想元素，而先进的电极材料是开发钠离子电池的关键。

在过去的几年中，许多优秀的SiBs正极材料，如层状过渡金属氧化物、多磷酸盐化合物和普鲁士蓝类似物已经发展起来了。但是，在负极材料的选择方面，用于锂离子电池商业化的石墨负极不足以实现钠存储。因此，开发优良的负极材料成为钠离子电池应用的最严峻的挑战。在目前最具有希望的方向中，硬碳具有充足的钠存储位点，已被认定为商业钠离子电池(SiBs)的首选负极材料。

但是现有技术中报道的硬碳负极材料还存在首效低、容量低、生产工艺复杂、生产成本高等缺点，严重制约钠离子电池的发展和商业化应用。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种硬碳负极材料的制备方法及其应用。

根据本发明的一个方面，提出了一种硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将淀粉与纳米二氧化硅混合，所得混合物料在惰性气氛下150-240℃进行热处理，得到一烧产物；

S2：所述一烧产物在含氧气氛下180-220℃进行热处理，得到二烧产物；

S3：将所述二烧产物进行旋风分离除去所述纳米二氧化硅，得到预氧化淀粉基微球；

S4：所述预氧化淀粉基微球在惰性气氛下进行碳化处理，即得所述硬碳负极材料。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述淀粉的粒径为2-80μm，所述纳米二氧化硅的粒径为5-50nm。进一步地，所述纳米二氧化硅可以为气相二氧化硅。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述淀粉与纳米二氧化硅的质量比为100：(0.5-10)。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述热处理的时间为3-20h。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，以0.5-15℃/min的速率升温至所述热处理的目标温度。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述热处理的过程为：将所述一烧产物置于反应装置中，通入含氧气体吹扫30-120min，再升温至目标温度进行热处理。进一步地，以0.5-10℃/min的速率升温至热处理的目标温度。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述热处理的时间为4-24h。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，取所述旋风分离后得到的预氧化淀粉基微球再次进行旋风分离，按以上过程重复旋风分离操作2-8次。